§ 30. Расширяющаяся Вселенная
1. Опишите пространственное распределение галактик во Вселенной.
Галактики образуют группы, скопления и большие системы галактик. Из 40 ближайших галактик наиболее массивная — Местная группа галактик. В эту группу входят наша Галактика и туманность Андромеды. Они образуют систему галактик, размер которых достигает нескольких сотен килопарсек.
Системы галактик могут объединять до тысячи галактик, а их размеры достигают нескольких мегапарсек. Ближайшее такое крупное объединение находится в направлении созвездия Девы на расстоянии около 20 Мпк., имеет размер примерно в 5 Мпк.
Комплексы скоплений галактик содержат десятки скоплений и имеют размеры 30-60 Мпк. Такие комплексы называют сверхскоплениями галактик. Наша Местная группа галактик входит в скопление в созвездии Девы разером 60 Мпк, которое объединяет около 2000 галактик. Всего известно около 50 сверхскоплений.
2. Как объясняется красное смещение и о чём оно свидетельствует?
Красное смещение в спектрах галактик свидетельствует о постоянном расширении Вселенной, «разлёту» скоплений галактик.
3. В чём состоит сущность теории расширяющейся Вселенной?
Сущность теории состоит в том, что Вселенная не может быть стационарна — она должна либо расширяться, либо сжиматься. Расширение Вселенной обнаружил Э. Хаббл, когда зафиксировал разбегание галактик.
4. К каким выводам о стационарности Вселенной пришёл А. А. Фридман?
Из расчётов Фридмана вытекали три возможных следствия: Вселенная и её пространство расширяются с течением времени; Вселенная через определённое время начнёт сжиматься; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.
5. Что такое критическая плотность Вселенной? В какой взаимосвязи критическая плотность находится с расширением или сжатием Вселенной?
Существует значение критической плотности $ρ_<кр>$ Вселенной, определяемое по формуле:
где $G$ — гравитационная постоянная, $Н$ — постоянная Хаббла. Расчёты по данной формуле дают, что $ρ_ <кр>= 10-26\, кг/м^3.$
Критическая плотность — это максимальная плотность вещества Вселенной, которой она якобы может достичь. При достижении максимальной плотности (критической) Вселенная должна перестать расширяться и начать сжиматься. Если плотность меньше критической, то Вселенная продолжит расширяться. По последним оценкам, плотность Вселенной близка к критической (либо немного меньше, либо больше).
6. Опишите модель горячей Вселенной.
Согласно модели, которую выдвинули Ж. Леметр и Г. А. Гамов, на ранних стадиях развития Вселенная имела очень высокую плотность вещества и высокую температуру. Эта гипотеза получила название Большого взрыва.
Суть теории заключается в том, что вселенная возникла в результате взрыва: материя с очень высокой плотностью и огромной энергией начала своё расширение. Такое состояние материи получило название сингулярность — точечный объём с бесконечной плотностью. По мере расширение температура будущей Вселенной постепенно снижалась, что способствовало образованию звёзд и галактик. Хотя процесс образования Вселенной нельзя рассматривать как расширение в окружающее пространство, т.к. его вовсе не было. Вселенная — это всё существующее.
7. Что понимается под закрытой и открытой моделями Вселенной?
Существуют две теоретические модели будущего Вселенной — закрытая и открытая.
Закрытая. Вселенная может быть закрытой системой, которая испытывает множество эволюционных циклов. После цикла расширения Вселенная начнёт процесс сжатия, пока не вернётся в первоначальное состояние — сингулярное — затем снова будет взрыв. Длительность полного цикла составляет 100 млрд лет. Начиная каждый новый цикл, Вселенная теряет «память» и может «родиться» с совершенно новым набором физических констант.
Открытая. Эта модель рассматривает варианты «тепловой смерти» Вселенной. Звёзды в системе постепенно будут остывать и через $10^14$ лет многие их них пропадут, что приведёт к отрыву планет от своих звёзд. Планеты покинут галактики. Сами галактики прекратят своё существование, превратившись в чёрные дыры.
Источник
Модель расширяющейся Вселенной
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:
1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность);
2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».
Красное смещение — это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.
Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 -18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. -М., 1981. -С. 30).
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.
Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.
Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.
Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.
Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.
Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.
Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.
Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы — состояния, в котором находятся элементарные частицы — нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0, 01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы?
Источник
Что понимают под моделью расширяющейся вселенной астрономия
Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительно сти. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимо действие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космоло гической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизмен ность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.
Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной пони мается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Все ленной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимает ся как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.
Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжи маться. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эф фект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удале ния галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расшире ния составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.
В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не един ственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появи лась концепция расширяющейся Вселенной.
Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.
В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, что бы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов пре кращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой мо дели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.
Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а про странство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.
В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бес конечное.
По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.
Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяго тения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной мо дели Вселенной называют открытой Вселенной.
Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в ис ходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирую щей, или закрытой, Вселенной.
В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энер гии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит со стояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.
Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Все ленная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным вре менем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.
Источник